Development of a method for significantly improving the fatigue life of welded joints by the laser processing

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H02372
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 後藤 浩二 九州大学, 工学研究院, 教授 (60274487)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 疲労 / 特殊加工 / 溶接 / 構造・材料 / 維持管理工学

Outline of Annual Research Achievements

本研究では建造直後の疲労性能改善を（1）溶接止端部へ炭素含有塗料塗布後にレーザ照射を行い，溶接止端半径の緩和（応力集中の低減）と局部的高強度化，（2）レーザ・アークハイブリッド溶接の溶接変形低減効果により誘起二次応力の低減，により担保し，供用後の腐食による処理部の衰耗による上記（1）（2）の効果が減少または消失することへの対策として，（3）腐食代より深い部分の結晶粒微細化を建造段階で付与することで疲労亀裂の成長を抑制する，という手法を建造段階で付与することで，長期の供用期間における疲労強度の改善方策を確立することである．
研究初年度は，
項目（1）に関して，塗布する炭素の選定を実施し，当初は安価な木炭を粉砕することを試みたが，粉砕粒径のばらつきが抑制できないことや，レーザヘッドを守るクロスジェット気流の影響で健全な浸炭層を形成できなかった．そこで，炭素粉と水を混合したペースト状のものを塗布する方法を検討し，安定的に浸炭層を形成できる可能性を確認した．
項目（2）に関して，溶接施工承認試験での施工が要求される溶接長1m以上の片側貫通T継手を安定的に製造するための施工条件について，溶接長300mm程度の施工を対象に，レーザ出力，アーク電流・電圧，溶接速度，等をパラメータとして検討し，適正な施工条件を導出した．加えて，突合せ溶接継手も対象に同様の検討を実施し，適正な施工条件を導出している．
項目（3）レーザ照射により鋼材表面から任意深さ位置における結晶粒微細化を達成するための照射条件を検証し，微細化領域の出現位置及び領域幅とレーザ照射条件の関係を確認するとともに，レーザ照射条件から微細化領域の位置・幅を推定するための簡易式を導出した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究は，船舶，海洋構造物，橋梁などの大型溶接構造物における主な損傷形態である疲労について，先進的な溶接法であるレーザ・アークハイブリッド溶接の適用と溶接止端部近傍に対する局所レーザ照射処理により大幅な寿命改善を達成することを目的としているが，溶接施工承認を得るために必要な溶接長1mに対する準備段階である，溶接長300mmに対する施工条件の導出を完了している．後者については，結晶粒微細化位置と照射条件の関係の調査を完了できた．以上の観点から，おおむね順調に進展していると判断した

Strategy for Future Research Activity

当初設定した課題の初年度項目はほぼ達成している．2年目は局所レーザ照射により適正な浸炭処理を達成するための条件探査，及び溶接長1mの溶接継手をレーザ・アークハイブリッド溶接により製作する条件を探索する．